浅谈Latch-up（一）

ESD，EOS，Latch-up都是芯片在制造，运输，使用过程中的风险源，他们会对芯片造成不同程度的物理损伤。所以芯片在设计过程中不得不考虑这些因素。前几篇文章都聚焦于ESD防护，这一期讨论芯片Latch-up防护。

一.Latch-up定义

闩锁效应是指体CMOS集成电路中所固有的寄生NPN和寄生PNP组成的电路在一定条件下被触发而形成低阻通路，从而产生大电流，并且由于正反馈电路的存在而形成闩锁，导致CMOS集成电路无法正常工作，甚至烧毁芯片。——《CMOS集成电路闩锁效应》。在日常工作中，作者对闩锁现象分为两种，一种是IO端口电路发生闩锁（尤其是输出buffer），一种就是ESD器件Design Window设计不当发生的闩锁。

而Latch-up与ESD最大的区别在于， 闩锁主要发生在芯片正常使用过程中。 Latch-up测试时，VDD上电，VSS接GND，非测试引脚按要求接高低电位，对VDD/输出输入接测试电流/电压。而ESD主要发生在制造、运输过程中，使用过程。ESD测试时一个引脚接电流源，一个引脚接地，芯片不上电。

1.1 CMOS电路闩锁

图一.CMOS寄生SCR结构图。

如图所示，CMOS器件里存在多个寄生SCR器件。VDD与GND之间；VDD/输出端口与GND；VDD/输出端口与输出端口；VDD与GND/输出端口。前几期已经介绍过SCR的工作原理，这里不再赘述。

图二.CMOS寄生SCR电路图。

1. VDD出现浪涌，N-WeLL/P-WeLL发生雪崩击穿。 大量雪崩载流子经过阱电阻Rnw,Rpw产生压降，寄生SCR开启。寄生NPN与寄生PNP发生正反馈耦合，从而形成低阻通路，发生Latch-up。

2 .输出端电压过冲，寄生SCR中PNP三极管的射电极（输出端）电压高于VDD， 该PNP导通，Rpw产生压降，造成寄生NPN开启，NPN与PNP发生正反馈耦合，从而形成低阻通路，发生Latch-up。

3. 输出端电流倒灌，大量电流由NMOS和PMOS的Drain端流入电路中。电流流经阱电阻Rnw和Rpw， 产生压降作用于寄生NPN和PNP的基级，造成寄生NPN和PNP的开启，NPN与PNP发生正反馈耦合，从而形成低阻通路，发生Latch-up。
4. 输出端电压下冲，寄生SCR中NPN三极管的射电极（输出端）电压低于GND ，该NPN导通，Rnw产生压降，造成寄生PNP开启，NPN与PNP发生正反馈耦合，从而形成低阻通路，发生Latch-up。

1.2 ESD保护器件闩锁

ESD器件发生闩锁的情况有两种 一种是ESD器件内部寄生SCR的开启，还有一种是Design Window选取不合理。

图三.二极管ESD防护示意图。

如图三所示，使用GCNMOS作为Power Clamp时，端口的ESD防护会使用二极管，P-diode连接端口与VDD，N-diode连接GND与端口。N-diode与P-diode之间会存在寄生SCR器件，如图四所示。（GCNMOS前几期已经讲过，二级管的ESD防护后期也会提及）

图四.二极管寄生SCR示意图。（图源《CMOS集成电路闩锁效应》）

与上文中的CMOS中寄生SCR类似，P-diode与N-diode间也会存在寄生SCR器件且发生Latch-up的情况：

1. VDD出现浪涌，N-WeLL/P-WeLL发生雪崩击穿。 寄生SCR开启，发生Latch-up。
2. 端口电压过冲，寄生SCR中PNP三极管的射电极（P-diode阳极）电压高于VDD， 该PNP导通，Rpw产生压降，造成寄生NPN开启，发生Latch-up。
3. 端口大电流，大量电流进入N-WeLL/P-WeLL， 经过阱电阻产生压降，发生Latch-up。
4. 端口电压下冲，寄生SCR中NPN三极管的射电极（N-diode阴极）电压低于GND ，该NPN导通，Rnw产生压降，造成寄生PNP开启，发生Latch-up。

第二种情况就是ESD器件的Design Window设置不合理。 如果ESD器件的IV曲线进入电路的latch-up区，当ESD器件被误触发开启后，ESD器件会一直保持开启，直至损坏。

图五.用于不同电路中的ESD器件以及设计窗口。a）电源钳位电路与设计窗口b）CMOS输出级与设计窗口。c）栅极输入与设计窗口。

如图五所示，不同的防护需求的ESD器件有对应的设计窗口要求。

a)作用于VDD与GND之间的Power Clamp，其Holding Voltage不能小于VDD。VDD的驱动能力近似是无穷大的，如果ESD器件的Holding Voltage进入latch up区，使用过程中一旦VDD的扰动开启ESD器件，ESD器件的低阻通路会一直开启，直到烧毁。

b）作用于输出级的ESD防护器件，其Design Window中的Latch-up区为由PMOS的负载曲线，因为PMOS进入饱和区后存在沟道夹断效应，其过电流能力有限，所以Latch-up区的电流上限有限。ESD器件的Holding Voltage和Holding Current一旦进入PMOS的Latch-up区，PMOS会形成对ESD器件的持续上拉，带来失效风险。

c）作用于输入级的ESD防护器件，其Design Window中的Latch-up区为栅级负载曲线，大部分ESD器件都能避免Latch-up风险。

如果是ESD器件是作用于端口与VDD之间，其栅极输入的Design Window与端口对地一致，而输出级的Design Window需要关注NMOS的负载曲线，避免进入NMOS的下拉负载区内，形成导电通路。